AKTUELL FORSKNING
Eta Carinae och dess
nebulosa
av Sveneric Johansson och Henrik Hartman
12 populär Astronomi Nr 2 2007
Detta fantastiska panorama visar en del av den stora Carinanebulosan – ett mycket
aktivt stjärnbildningsområde i stjärnbilden Kölen (lat. Carina) på södra stjärnhimlen.
Utsträckningen av bilden motsvarar 30 ljusår. Där ligger ett antal tunga och ljusstarka
stjärnor. En av dem är Eta Carinae, som är föremål för denna artikel, som med sin egen
nebulosa – som även kallas Homunculus (den lilla människan) – syns längst till vänster
som en ljus, oval struktur (motsvarar alltså bilden på omslaget). Bilden är tagen i ljus
från väte och därför syns hela Homunculusnebulosan, vars utsträckning är strax under
ett ljusår. Den mörka strukturen under rubriken ovan har formen av en skosula – på
äldre bilder av nebulosan finns även en nedre markerad del som ger hela strukturen
formen av ett nyckelhål. Den kallas därför ofta för Nyckelhålsnebulosan.
Nr 2 2007 populär Astronomi 13
Bild: M. Schirmer (ING), A. Tziamtzis och P. Lundqvist (Stockholms universitet)
AKTUELL FORSKNING
Multispektrala bilder. Fyra bilden av Eta Carinae med
sin nebulosa tagna i olika våglängdsområden – från
vänster till höger – röntgenstrålning, vanligt synligt
ljus, infraröd strålning och radiostrålning. Röntgenbilden täcker ett större område än de andra bilderna
S
ällan, eller kanske aldrig, har det använts så många
olika adjektiv och epitet för att beskriva en enda av
de hundratals miljarder stjärnor som finns i Vintergatan. Störst, vacker, ung, mystisk, orolig, explosiv,
gåtfull – ja, ordrikedomen flödar när man beskriver
Eta Carinae i populära tidskrifter.
Stjärnan, som bara kan observeras på mycket sydliga
breddgrader, har en historia och egenskaper som har tilldragit sig stort intresse från såväl astronomer, fysiker som
fotografer både professionella och amatörer. Eta har blivit
något av ett favoritobjekt för Hubble-teleskopet (HST),
som har kunnat presentera ingående detaljer i bilder och
spektra för omfattande analyser. Den har också bevakats
med röntgenteleskop och studerats ingående i infrarött
ljus. Ändå har den kanske viktigaste upptäckten det
senaste decenniet gjorts med ett markteleskop i Brasilien,
nämligen att stjärnan förmodligen är dubbel. I denna artikel ska vi ge lite bakgrundshistoria och nutida rön kring
Eta Carinae, som utkämpar en dödskamp i all sin prakt
och sitt övermod.
Även om Halley redan 1677 observerade Eta Carinae
utgör 1837 startpunkten för en period på 170 år med
intensiva studier. John Herschel vistades i Sydafrika för att
göra en karta av södra stjärnhimlen, där Eta var en ganska
oansenlig stjärna. Under en 6-årsperiod fick han emellertid uppleva hur Eta Carinae oavbrutet ökade i ljusstyrka
för att 1843 lysa nästan lika starkt som Sirius trots att Eta
med sina 7500 ljusår ligger ungefär 800 gånger längre bort.
Orsaken till den otroliga ”upplysningen” var ett gigantiskt
utbrott, the Great Eruption, som stjärnan mot alla odds
14 populär Astronomi Nr 2 2007
– den inre blå kärnan omfattar centralstjärnan och
den yttre ringen, som förmodligen är ett resultat av
ett gigantiskt utbrott för tusen år sedan ligger cirka
tre gånger längre ut än kanten på Homunculusnebulosan. Röntgenstrålningen uppstår i chockvågor som
lyckades överleva. Stora mängder materia – kanske 5-10
solmassor - slungades ut med höga hastigheter, upp till
flera hundra kilometer i timmen. Under de följande 170
åren har materien från detta utbrott skapat den timglasliknande kontur som Hubblebilden på omslaget visar upp.
Stjärnan är nu knappast synbar för blotta ögat på grund av
den omgivande gasen, men den strålar fortfarande ut lika
mycket energi på 6 sekunder som solen gör på ett helt år.
Alltsedan det stora utbrottet på 1840-talet har flera
mindre utbrott ägt rum. Dessa visar sig som små bubblor,
belägna i en ekvatorsskiva runt stjärnan. Eta Carinae har
liknats vid en våldsam, och i viss mån, regelbunden gejser,
som trots en förhöjd aktivitet ungefär vart femte år överlever sina konvulsioner. Med moderna teleskop har man
visat att regelbundenheten är mycket exakt och att den
tyder på en dubbelstjärna med en omloppsperiod på 5,52
år. De två stjärnorna kommer under en kort tid mycket
nära varandra (periastron) – endast 2-3 sol-jordavstånd
- och tidvatteneffekter ger upphov till utbrott. Räknar man
bakåt i 5.5 års intervall innefattas även det stora utbrottet
i denna regelbundenhet. Det är fortfarande oklart hur den
stora stjärnan överlevt dessa attacker, framför allt det stora
utbrottet på 1840-talet. Nya beräkningar visar att det är
snarare instabila förhållanden i det inre av stjärnan än just
tidvatteneffekter som orsakade det stora utbrottet.
Man har länge känt till att Eta Carinae skickar ut mängder med värmestrålning i det infraröda området. Detta
beror på att strålningen från stjärnan i centrum värmer
upp den omgivande gasen i loberna, som sedan avger sin
energi som IR-strålning. Det är alltså samma effekt som
orsakas av den utströmmande materien.
Bilden i ”vanligt ljus” är i stort sett densamma som omslagsbilden. Den
tredje bilden visar att hela nebulosan sänder ut infraröd strålning. Denna
kommer från stoftpartiklar i Homunculusnebulosan, som lyses upp av
centralstjärnan. Fördelningen av radiostrålningen är ungefär densamma
som för den infraröda strålningen. Det ljusa området, som innefattar
centralstjärnan Eta Carinae, visar på kall gas som hettats upp och nu
avkyls igen.
vi upplever på jorden där marken sänder tillbaka delar
av den instrålade solenergin som IR-strålning och därför
avkyls på natten. Den tidiga låg-upplösta optiska och
infraröda bilden av Eta Carinae med sin utsträckta nebulosa liknades vid en liten man, ”Homunculus” på latin,
med huvud (ena loben), armar (skivan) och ben (andra
loben). Loberna är kalla och innehåller stoftkorn och fria
molekyler.
Området närmast centralstjärnan har varit föremål för
intensiva studier de senaste 10 åren framför allt med bilder
och data från HST. Med markteleskop hade man tidigare
med en speciell avbildningsteknik hittat lysande bubblor
strax utanför stjärnan och frågan var huruvida dessa var
jätteplaneter eller självlysande gasmoln. De optiska egenskaperna hos HST gjorde det möjligt att närmare studera
detta. Bubblorna visade sig vara gasmoln som kastats
ut från stjärnan och lagt sig i ekvatorsskivan. Ljuset från
bubblorna var precis som i fallet med nebulosor stjärnljus
som omvandlats till ljus vid specifika frekvenser (spektrallinjer). Frekvenserna bestämdes av de grundämnen som
finns i bubblorna och som sänder ut ljuset. I Lund gjorde
vi ingående analyser av dessa bubblor eftersom deras ljus
i dubbel bemärkelse reflekterade vad som hände i den
svårobserverade stjärnan. Det var speciellt två oväntat
starka spektrallinjer vid 205 nm som tilldrog sig allas uppmärksamhet.
Linjerna kom från joniserat järn, vilket inte är speciellt märkligt, men det fanns ingen naturlig förklaring till
deras styrka eller intensitet. I laboratoriespektra av järn är
linjerna inte på något sätt spektakulära utan ganska svaga
i myllret av tusentals starkare linjer. I bubblorna utanför
Eta Carinae är de starkare än alla andra linjer. Energin i
dessa två spektrallinjer motsvarar den totala utstrålningen
från solen. Vi kunde visa att dessa linjer bildas tack vare
en effektiv energiöverföring (pumpning) av strålning från
allestädes närvarande väteatomer till järnjoner, dvs samma
typ av selektiv pumpning som sker i en laser. Det visar sig
faktiskt också att linjerna ger upphov till naturlig laserstrålning.
Laserlinjerna, såväl som vissa andra spektrallinjer, från
bubblorna försvinner vart 5.5 år i samband med de två
stjärnornas närmande varandra. En gemensam nämnare
för dessa linjer är att de kräver energirik ultraviolett (UV)
strålning för att bildas, och att denna UV-strålning förmodligen kommer från den mindre kompanjonen. När
denna närmar sig den större och varmare centralstjärnan vid periastron blockeras UV-strålningen av den täta
vinden av gas från primärstjärnan. Efter några månader
når UV-strålningen ut igen och linjerna kommer tillbaka i
spektrerna från bubblorna.
På samma sätt uppför sig också den starka röntgenstrålning som man har observerat från Eta Carinae. Nya röntgenteleskop har följt utvecklingen under ett tiotal år och
samma fenomen upprepar sig vart 5.5 år. Först ökar röntgenstrålningen, sedan försvinner den totalt ganska snabbt
för att på sikt gradvis byggas upp igen. Röntgenstrålningen
bildas när den täta gasen i de två stjärnornas vindar kolliderar nära periastron. Vid något tillfälle skymmer den
stora primärstjärnan kollisionsområdet och strålningen
försvinner. Här är det alltså frågan om en röntgenförmörNr 2 2007 populär Astronomi 15
AKTUELL FORSKNING
3. Spektrum
Ett spektrum av Eta Carinae (stjärna och nebulosa) upptaget med Hubbleteleskopet. Det
ljusa vågräta bandet i mitten är stjärnans spektrum. Strax ovanför detta ses spektret av en
gasbubbla med de två starka linjerna vid 250 nanometers våglängd. Dessa ger upphov till
laserstrålning.
kelse, som påminner om den medicinska användningen av
röntgenstrålningens genomträngningsförmåga. Det finns
även andra spektrallinjer som kräver UV-strålning för att
skapas i bubblorna, som försvinner vid dessa ”förmörkelser”.
Inte nog med att Eta Carinae sänder ut stark strålning
vid alla tänkbara frekvenser – allt från röntgen till radio
– den skjuter också ut partiklar som en automatkanon.
Man talar om båda strängar och jet-strålar. Båda fenomenen kan ha sitt upphov i det stora utbrottet. Strängarna
har en hastighet på mellan 600-800 km/sek, vilken ökar
med avståndet från stjärnan liknande förhållandet med
den kosmiska utvidgningen. Man tror att strängarna orsakas av gaskulor som skjutits ut från stjärnan och ger ett
lysande spår precis som ett jetplan på hög höjd. Det som
lyser är den joniserade gasen, vilken efterhand bromsas
upp – därav den efterhand avtagande hastigheten in mot
stjärnan. Jetstrålen som har en hastighet upp emot 2000
km i sekunden (nära 1% av ljushastigheten!) kan tänkas
uppkomma i kollisionsområdet mellan de två stjärnorna
och utgöras av en serie av utskjutna gaskulor.
Vad kommer då att hända med denna superstjärna? Vi
har redan antytt att det är en döende stjärna men hur ser
dödskampen ut? En sak är klar: Tunga stjärnor lever ett
intensivt liv och dör unga i en ålder av några miljoner år
jämfört med solens ålder på flera miljarder år. Vi kan konstatera att det är första gången vi kan studera en så massiv
stjärna – förmodligen den största i Vintergatan – men att
kunskapen är bristfällig vad det gäller dess utveckling. En
komplikation som har dykt upp är att den förmodligen har
en mycket stor kompanjon på nära håll. Hur påverkar den
centralstjärnan?
Enligt tidigare modeller antar man att strålningen
inifrån stjärnan till slut utövar ett så stort tryck utåt att
gravitationen inte står emot utan stjärnan exploderar i en
16 populär Astronomi Nr 2 2007
supernova. Det faktum att Eta fortfarande existerar och
att den överlevde det stora utbrottet på 1840-talet gör att
man nu försöker modifiera den tidigare modellen. Kanske
strålningen på sin väg ut skapar ett poröst lager där den
kan ta sig ut genom porerna och ibland ”blåsa iväg” tätare
klumpar. Kanske var det kompanjonen som lyste upp på
1840-talet? Det är svårt att avgöra var Eta befinner sig i sin
livscykel men tecken tyder på att den förbrukat sitt bränsle
och borde vara nära en supernova-explosion.
Förmodligen är stjärnans massa tillräcklig för att det ska
bildas ett svart hål. Detta kommer i sin tur att ge upphov
till jetstrålar som skickas ut åt motsatta håll. När dessa
passerar genom materian runt stjärnan bildas blixtar av
röntgen och gammastrålning, den energirikaste strålning
vi kan tänka oss. Med ett sådant scenario har Eta Carinae
bjudit omvärlden på förhöjda doser av all slags strålning
man kan tänka sig – allt från högfrekvent gammastrålning
till lågfrekvent radiostrålning och något så ovanligt som
naturlig laserstrålning. Samtidigt har Eta av astrofysikerna
uppfattats som en utmaning med sin inneboende information om utvecklingen hos mycket massiva stjärnor, av
atomfysikerna som ett rymdlaboratorium med förhållanden som tillåter märkliga strålningsprocesser att äga rum,
av plasmafysiker som ett zoo av plasman av olika densitet
och temperatur, och sist men inte minst av oss alla som en
skönhet.
Faktaruta: Massa = 100-150 solmassor
Massa hos kompanjonen = 30-60 solmassor
Ljusstyrka = 5 miljoner gånger solens ljusstyrka
Total utsträckning – cirka ett ljusår
Mera data på http://www.etacarinae.iag.usp.br/
4. Så här observeras ett spektrum med
Hubbleteleskopet
Bilden visar hur ett spektrum registreras
med Hubble-teleskopet, i detta kring en
stark linje av väte. Teleskopet riktas så att
ljus från ett längsträckt område utmed hela
nebulosan faller in genom en smal springa
(spalt) på en spektrometer. Denna delar
upp ljuset längs spalten i sina våglängder
(färger) i vågrät riktning (dispersion). Vinkelrätt mot denna ses hela det observerade
området i en speciell våglängd. Den undre
bilden visar hur intensiteten av strålningen
i vätets linje fördelas över det område
som täcks av spalten (sammanställning av
Kazunori Ishibashi (NWRA/CoRA)).
Nr 2 2007 populär Astronomi 17
